JPH10508096A - 露点センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 露点センサは、水がコンデンサ極板間で凝縮するチップ（１）表面に絶縁電極を含む小型コンデンサ（３）と、チップ（１）上にコンデンサ（３）に隣接して設けられた温度センサ（４）と、コンデンサ（３）を冷却するように構成されたペルチエ冷却器（２）と、マイクロコントローラとを含む。マイクロコントローラは、コンデンサ極板上での水の凝縮と蒸発とから生じる静電容量の変動を測定し、そしてコンデンサ（３）の温度を測定し、さらにペルチエ冷却器（２）を制御して、コンデンサ極板の温度を測定露点付近に維持するように構成されている。好ましい形態において、マイクロコントローラは、ペルチエ冷却器（２）を制御して、コンデンサ（３）を露点温度を下回る温度に冷却し、そして水が主にコンデンサの指状部材のエッジに残った状態になるまでコンデンサ（３）の温度を上昇させ、さらにコンデンサ（３）の指状部材での凝縮速度と指状部材からの蒸発速度とが実質的に等しくなる測定露点へ向けてコンデンサ（３）の温度を上昇させることによって露点を定めるように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 露点センサ 発明の分野 本発明は露点センサおよび方法に関する。 発明の背景 気体の水蒸気含有量は、種々の方法で測定可能である。容易に実施できる最も 基本的な方法においては、水滴が冷却面上に凝縮するときの温度が利用される。 つまり、この温度と雰囲気温度とから、相対湿度を計算することができる。 水滴が形成された時に鏡面からの正反射(specular reflection)が散乱する傾 向にある光ビームを利用して露点センサを形成することが最も一般的に行われて いるが、（高誘電率を有する）水が表面に凝縮する時の構造体の静電容量の変化 等を利用する電気的方法も使用されている。静電容量検出の利点は、少ない部品 で構成され、原理的には水負荷（water load）を測定できるシステムであること である。これに対して、光学的方法は、特定の水負荷に対応しているかもしれな いし対応していないかもしれない表面粗さ(surface roughness)状態を検出する に過ぎない。光学的方法は、単に表面粗さだけが要求されているので、結露開始 に対して極めて感度が良いが、問題は、周知のように、鏡面が汚れている場合、 真の露点よりも高い温度で凝縮が起こるということである。したがって、厳密な 正確さが要求される場合、これを防止するために頻繁に清掃を行わなければなら ない。 発明の概要 本発明は、マイクロプロセッサ制御のもとに、静電容量的に動作して（capaci tively operating）水滴負荷（dew load）を検知する小型（miniature）露点セ ンサを含む。 広い意味において、本発明は、水蒸気を含有する空気のような、蒸気含有気体 の露点を検出するための露点センサであって、 チップの表面上に設けられた絶縁電極（insulated electrodes）を含み、チッ プの寸法および表面起伏（surface relief）により、チップが冷却された時、周 囲の蒸気から生じる凝縮の傾向（disposition of the condition）が制御される よう構成された小型コンデンサ、つまりマイクロコンデンサと、 上記チップ上に、コンデンサに隣接して設けられた温度センサと、 上記コンデンサを冷却するように構成されたペルチエ冷却器と、 コンデンサ極板上での水の凝縮とコンデンサ極板からの水の蒸発とに起因する 静電容量の変動を測定し、そしてコンデンサの温度を測定し、さらにペルチエ冷 却器を制御して、静的な、および急激に変動する湿度条件（conditions of stat ic and rapidly changing humidity）下で、コンデンサ極板の温度を露点付近に 維持するように構成されたマイクロコントローラと、を含む。 好ましくは、マイクロコントローラは、ペルチエ冷却器を制御して、センサの 汚染による影響が露点に対して最小になり、かつセンサ上への凝縮とセンサから の蒸発との各速度が実質的に等しくなる水滴負荷でコンデンサを維持し、これに より測定された露点を示す（indicate）ように構成される。 マイクロコントローラは、ペルチエ冷却器を制御して、露点温度を下回る温度 から露点温度に近づけるように構成するのが好ましい。 マイクロコントローラは、露点温度付近における温度と静電容量との関係を示 す勾配（gradient）を参照して、センサの汚染レベルを監視するように構成する のが好ましい。 チップは、シリコンチップであるのが好ましい。 図面の説明 本発明の好ましい形態の露点センサを一例として示す図面を参照して、本発明 についてさらに詳しく説明する。 図１は、好ましい形態の露点センサのセンサユニットを概略的に示し、コンデ ンサ極板と温度測定器とが設けられたシリコンスライス(silicon slice)と、こ れに取り付けられたペルチエ冷却器とを示している。 図２は、図１のシリコンスライスおよびコンデンサ極板を通る横断面図である 。 図３は、本発明のセンサの温度と静電容量との関係を示している。 図４は、きれいなセンサおよび汚れたセンサについての温度と静電容量との関 係を示している。 図５は、好ましい形態の露点センサのマイクロコントローラの制御ループを示 している。 好ましい形態の詳細な説明 図１は、好ましい形態の露点センサの検出素子を示している。この検出素子は 、ペルチエ冷却器２に取り付けられたシリコンチップ１を含む。チップ１は、シ リコン集積回路製造法により形成されたものであり、この好ましい形態において は櫛形電極コンデンサ（interdigitated capacitor）３からなる小型コンデンサ 、すなわちマイクロコンデンサ（microcapacitor）と、これに近接して設けられ た固体 (solid state)温度センサのような温度センサとを含んでいる。シリコン の高い熱伝導率のために、両者の熱結合は高い。本形態では、櫛形電極コンデン サは、２個の櫛状多結晶質シリコン（ポリシリコン）形状に形成されており、そ の指状部材(fingers)は図示するように相互に差し込まれている。形成されたコ ンデンサの指状部材及びそれらの間の間隔は極めて小さく、たとえば５ミクロン 程度である。 シリコンチップ１の横断面を図２に示す。コンデンサ３を形成するポリシリコ ン層は、酸化物の層５によりシリコン基板１から分離(isolate)されている。 また、このポリシリコン層は、まずポリシリコン３の頂部層を二酸化ケイ素に酸 化し、次に、全体構造を低圧化学蒸着（low pressure chemical vapour deposit ion）により形成された薄い窒化ケイ素層６で保護被覆することによって、大気 から保護されている。湿度が低値から高値へ増大するにつれて、この構造体の静 電容量は変化し得る。二酸化ケイ素のような保護被覆は水蒸気を吸収し得るから 、湿度が１００％に到達するよりも前に静電容量上昇を呈してしまうが、窒化ケ イ素はすぐれた防護物質(barriermaterial)であり水和に対する抵抗力があるの で、高湿度下であっても、水蒸気の吸収に起因する静電容量の増大をほとんど呈 しない。したがって、コンデンサ３を窒化ケイ素層または水和に対する抵抗力の あるその他の物質層で保護被覆して、結露前の静電容量の変化を最小にすること が好ましい。本装置のさらなる特徴は、上述の製造法によって、極めて平滑な表 面が形成されていることにある。センサの特徴的なサイズ（size）と平滑表 面とは、それらが結露に及ぼす効果の故に、センサの作動状態に影響を与える。 図３は、ペルチエ冷却器２によってセンサを露点を下回る温度に冷却しつつ測 定された静電容量を示す。センサが清浄な場合には、凝縮を開始させて静電容量 を上昇させるために、露点を下まわるある程度の過冷却が必要な場合がある（図 ３の点Ａ）。凝縮は、コンデンサ３のポリシリコン指状部材のエッジの鋭い高さ 不連続部（段差部：height discontinuities）に集中し(nucleated)、そして該 不連続部に沿って移動して電極櫛部材の角または他の不連続部に集結され得る。 露点を下回る冷却を継続すると、孤立した水滴が、指状部材３上及びそれらの間 に現れることがある。水負荷はしだいに大きくなり、ついには、指状部材間の空 間から溢れるが、こうなると(inthis regime)、静電容量はゆるやかに増大する にすぎない（図３の部分Ｂ）。ペルチエ冷却器を制御して、水が主に指状部材の エッジの裂け目に残る状態になるまでゆるやかに温度を上昇させることにより、 露点が見いだされる（図３の部分Ｃ）。このとき、静電容量は、水滴負荷に対し て極めて敏感であり、小さな温度上昇で瞬間的に減少(flash off) する（図３の 点Ｄ）。電子制御アルゴリズムは、露点に非常に近い(closely)点Ｄでの温度を 保持する。同様なふるまいが汚れたセンサでも見られるが、指状部材のエッジに 沿う移動は減少する。 本装置の起動時、図３のヒステリシス曲線を探索する学習サイクル（learning cycle）を起動することにより、マイクロコントローラが始動する。たまった水 （堆積物：deposit）が指状部材に沿ってその端部へ流れる時間を与えられない ような所望の水形状(water configuration)は、センサを短時間所定の点Ｃに保 持し、その後即座に加熱曲線に沿ってＤへ持っていくことによって、静電容量を 所望値にすることで実現される。 本装置は小型であるので、応答が速く、これにより、水滴負荷の制御度を高め ることができる。新たに洗浄されたセンサを用いた場合でも、点Ｄ付近の平衡静 電容量−温度曲線（equilibrium capacitance-temperature curve）は、有限の 勾配を有していることが判っている。すなわち垂直ではない。平衡静電容量−温 度曲線は図４の線Ａで示されている。分子レベルで完璧に清浄にすることは決し てできないので、現実の表面上では、こうなると予想される。溶液中に溶質が含 有されると、濃度に依存して露点が上昇することが知られている（ラウール効果 （Raoult effect））。したがって、実際上の全ての表面上では、溶けこんだ汚 染物質が露点を上昇させることになるが、水負荷が集結し、溶液濃度が低下する につれて、平衡点は露点に近づくことになる。極めて汚された表面の場合、線Ｂ で示すように、水滴が真の露点よりかなり高い温度で形成されることは周知であ る。実際には、線Ｂは、温度が低下するにつれて、勾配が急になること力判明し ている。静電容量設定点（図３のＤ）が十分高いかぎり、線Ａと線Ｂとの差異は 少なく、露点誤差は極めて小さくなる。 図４における清浄なセンサと汚染されたセンサとの差異に着目すれば、静電容 量−温度平衡曲線の勾配を調べることによって、センサの汚染状態を自動報知で きることが判る。これを行うため、マイクロコントローラは、図３の静電容量設 定点Ｄを新しい値に調節して、新たな平衡温度を定める。清浄な表面の場合、０ ．８から１．８ｐＦへの静電容量の変化に相当する量だけ水滴負荷を変動させる には、温度をたった０．０２度程度変化させるだけでよいということが判明して いる。勾配についての信頼できる評価を確実に得るために、手順を何回か繰り返 し行う。このような性能チェックは、通常動作工程中またはコマンド較正シーケ ンス中に行うことができる。 動作点Ｄと乾燥時とにおける静電容量の差異は、およそ１ｐＦであることが判 っており、したがって、正確な静電容量の測定が必要となる。装置が小型である ことと、温度センサ４の近接熱結合とにより、湿度変動を迅速に追跡することが できるように制御アルゴリズムを構成することが可能となる。しかしなから、露 点付近の静電容量−温度伝達関数（capacitance-temperature transfer functio n）は非線形であること、および、水の蒸発と凝縮との交換時定数（exchange ti me constant）は、露点での蒸気圧に大きく左右されることが、制御アルゴリズ ムの作成をやっかいなものにしている。 図５は、一般的な条件（prevailing conditions）にセンサ性能を整合させる ための適応部材を内蔵した、使用されている一つの方法を概略的に示している。 例えば学習サイクル、通常動作、清浄度報告モード等の動作モードに適合した 値になるようスルーレート（slew rate）を制御するよう変更を行って、比例積 分条件下で動作するループ１によりペルチエユニットに電力を供給することによ って、温度を制御する。ループ２もまた、ペルチエ冷却器を介して静電容量制御 を行うが、ループ１よりも遅く動作する。 露点は、蒸発速度が凝縮速度と等しくなる時、つまり静電容量変化率がゼロ、 り修正される比例微分制御を使用するループ２Ａによって実現される。導関数制 設定点へ制御可能にドリフト（drift）させるためにも適用される。これは、従 来の積分制御を実施した場合に生じるおそれのある、関連する駆動温度（drivin g temperature）の露点からの大きな変動が生じないようにしながら、零点誤差 （zero error）を生成する際の積分制御の効果を模すものである。また、このよ うな制御は、水滴形成処理における環境依存性陰的積分（environmental-depend ent integral implicit）を無効にする。微分項は適応性である。すなわち、こ れは、変化時間中は活性であるが、条件が安定している場合には自動的に衰微す るので、後者条件下でノイズを最小にする。 湿度が突然変化する場合、水滴負荷によって、伝達関数の極値（extreams）付 近の静電容量が生成される可能性がある。これらの条件下で、第２無効ループ２ Ｂが、動作状態にされる。このループは、水滴形成および蒸発の時定数に起因す る応答遅延を補償するようなやり方で、高ゲイン比例制御（high gain proporti onal control）を行って、静電容量をループ２Ａの制御範囲へ戻す。進行する温 度修正（ongoing temperature corrections）は、測定静電容量と設定点との差 異に基づいて行われるのではなく、時定数が与えられた測定静電容量が、予想ど おりに、前回の温度修正の結果としての設定点へ向かっているかどうかに基づい て行われる。通常条件の場合、この時定数の変化を見込んでおくことができる。 温度アルゴリスムは、大きな静電容量変化の発生に要する時間よりもはるかに速 く動作するので、静電容量設定点への接近過程において前の温度調節の積分効果 （integrated effect）を補償する効果を生じる。 無効ループ２Ｂは、静電容量値が必ずしも設定点Ｄにはならなくともそれに近 づくと、自動的に非動作状態になる。実際上、新しい露点温度は、元の値に極め て近くなることに注目されたい。ある時間中、静電容量が所望設定点へ戻るよう に、平衡はドリフトされる。第２ループ２Ｂの制御の間、システムは平衡状態か ら逸脱することがあり、この場合、表面温度は露点を表さない。しかしながら、 制御アルゴリズムから、温度誤差の大きさを予想して、これを出力される露点温 度値の修正に使用することが可能である。この２段階制御を使用して、本装置は 、室温で５０％の湿度の段階的変化（step change）に対して1秒未満で応答する ことができる。 −２５度を下回る露点温度に到達するまで、氷や霜がセンサ上に現われはじめ ることはないことが判っている。これを上回る温度では、凝縮液は過冷却水（su percoldwater）である。−３０度を下回ると、霜が直接形成される。氷晶や霜は 、コンデンサの表面形状（surface features）に沿って流れたり、その表面形状 中に存在したりするという水としての能力を欠いているので、氷晶や霜は水と異 なる静電容量−温度応答性を与える。したがって、細氷や霜の現出は、水滴とは 区別される場合がある。センサは、例えば気体の乾燥性（dryness）測定の際、 霜および氷晶が直接形成される温度で使用することができる。このような場合の 好ましい動作方法は、静電容量の上昇から判るように、氷が形成されるまでセン サを冷却し、次に温度をゆっくり上昇させて昇華点を形成する(establish)こと である。 過冷却水滴から氷が形成され得る状況では、水制御モードと氷モードとを組み 合わせた動作モードを実施することができる。 以上、本発明について、好ましい形態などを説明したが、当業者にとって自明 であるような変更や修正は、本発明の範囲に包含される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．蒸気含有気体の露点を検出するための露点センサであって、 チップの表面上に設けられた絶縁電極を有し、チップが冷却された時、周囲 蒸気から生じる凝縮の傾向を制御するチップの寸法および表面起伏に構成された 小型コンデンサ、つまりマイクロコンデンサと、 上記チップ上にコンデンサに隣接して設けられた温度センサと、 上記コンデンサを冷却するように構成されたペルチエ冷却器と、 コンデンサ極板上での水の凝縮とコンデンサ極板からの水の蒸発とに起因す る静電容量の変動を測定し、そして上記コンデンサの温度を測定し、さらに上記 ペルチエ冷却器を制御して、静的な、および変動する湿度条件下で、コンデンサ 極板の温度を露点付近に維持するように構成されたマイクロコントローラと を含む露点センサ。 ２．上記マイクロコントローラは、センサ上での凝縮速度とセンサからの蒸発速 度とが実質的に等しくなる水滴負荷で上記コンデンサを維持するように上記ペル チエ冷却器を制御することによって、測定された露点を示すように構成されてい る請求項１記載の露点センサ。 ３．上記マイクロコントローラは、露点温度を下回る温度から測定露点温度に近 づけるように、上記ペルチエ冷却器を制御するように構成されている請求項２記 載の露点センサ。 ４．上記小型コンデンサつまりマイクロコンデンサは、基板材上に形成され、か つ相互に差し込まれた少なくとも２つのコンデンサ極板を含む請求項３記載の露 点センサ。 ５．コンデンサ極板は、少なくとも２つの、離間した指状部材の櫛状列を含む請 求項４記載の露点センサ。 ６．上記マイクロコントローラは、ペルチエ冷却器を制御して、コンデンサを露 点温度を下回る温度へ冷却し、そして水が主にコンデンサ極板のエッジに残る状 態になるまでコンデンサ温度を上昇させ、さらにコンデンサ極板間での凝縮速度 とコンデンサ極板間からの蒸発速度とが実質的に等しくなる測定露点へ向 けて、コンデンサ温度を上昇させることにより露点を決定するように構成されて いる請求項４または５に記載の露点センサ。 ７．マイクロコントローラは、ペルチエ冷却器を制御して、センサの汚染による 影響が露点に対して最小になる水滴負荷でコンデンサを維持するように構成され ている請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の露点センサ。 ８．マイクロコントローラは、露点温度付近で温度と静電容量との関係を示す勾 配を参照して、センサの汚染レベルを監視するように構成されている請求項７記 載の露点センサ。